Ein gattungsgemäßes Verfahren geht z. B. aus den DE 197 11 829 Cl hervor. Das hieraus bekannte Verfahren zur Herstel- lung eines faserverstärkten Strukturbauteils besteht aus dem Verpressen einer Mischung aus beschichteten Kohlen- stoff-Faserbündeln, Füllmitteln und Bindemittel zu einem Preßkörper, aus dem Pyrolysieren dieses Preßkörpers zu ei- ner kohlenstoffhaltigen Preform und aus dem Infiltrieren dieser Preform mit flüssigem Silizium unter Bildung einer faserverstärkten Matrix aus Silziumkarbid (SiC-Matrix), die verfahrensbedingt Reste an Silzium enthalten kann. Durch dieses Verfahren hergestellte Strukturbauteile weisen eine, für keramische Werkstoffe hohe Duktilität und eine hohe Verschleißbeständigkeit auf und sind bis zu Temperaturen von 1400° C einsetzbar. Sind derartige Strukturbauteile je- doch für längere Zeit unter oxidierenden Bedingungen sol- chen Temperaturen ausgesetzt, kann es zu einer Oxidation der Kohlenstoffasern an der Oberfläche kommen. Dies kann bei mechanischen Beanspruchungen der Oberfläche zum Heraus- lösen der Oberflächenfasern führen, was sich in einer rau- heren Oberfläche äußert und die Verschleißbeständigkeit herabsetzt.

In der DE 198 05 868 A1 wird ein Verfahren beschrieben, bei dem Preßmassen mit Fasern unterschiedlicher Qualitäten in mehreren lamminaren Schichten verpreßt werden. Nach der In- filtration mit dem Silizium weist das so erhaltene Bauteil, das in Form einer Bremsscheibe ausgestaltet ist, eine duk- tile mittlere Schicht und zwei spröder, jedoch oxidations- beständigerer Außenschichten auf. Die höchste mechanische Belastung auf die Bremsscheibe wirkt jedoch am inneren Be- reich des Ringes, der verfahrensbedingt ebenfalls durch duktilere und sprödere Schichten ausgebildet ist.

Der Erfindung liegt demnach die Aufgabe zugrunde, das oben genannte Verfahren dahingehend zu verbessern, daß die Oxi- dation der Kohlenstoffasern an der Oberfläche minimiert wird und gleichzeitig die Duktilität des Strukturbauteils im wesentlichen erhalten bleibt.

Die Lösung besteht in einem Verfahren mit den Merkmalen der Ansprüche 1, 7 oder 11.

Das erfindungsgemäße Verfahren gemäß Patentanspruch 1 zeichnet sich dadurch aus, daß zur Herstellung eines Preß- körpers bestimmte, voneinander verschiedene Mischungen aus Faserbündeln, in der Regel Kohlenstoffasern, Füllstoffe und Bindemitteln verwendet werden. Die Mischungen unterscheiden sich im wesentlichen in der Qualität der Faserbündel, deren Länge, deren Menge an einzelnen Fasern und deren Beschich- tungen voneinander. Eine Mischung enthält längere Fasern mit einer Schutzschicht (Mischung A), die eine Reaktion zwischen dem Silizium und der Kohlenstoffaser weitgehend verhindert. Hierdurch kommt der Verstärkungseffekt der Fa- ser im Bauteil in optimaler Weise zum Tragen, was zu einem duktilen Verhalten dieses Bauteilbereichs führt (duktile Bereiche). Eine weitere Mischung beinhaltet neben Füll-und Bindemitteln Fasern, die in eher geringen Maße gegen das flüssige, infiltrierende Silizium geschützt sind (Mischung B). Während der Infiltration konvertieren diese großenteils mit dem Silizium zu einer homogenen, dichten und oxidati- onsbeständigen, jedoch spröderen SiC-Schicht (spröde Berei- che). Durch die getrennte Lage der Mischungen in radialer und axialer Richtung in einer Preßform können somit die Werkstoffeigenschaften des resultierenden Bauteils den me- chanischen und tribologischen Anforderungen des Bauteils angepaßt werden.

Während des Befüllens einer Preßform mit den Mischungen A und B werden in einer Preßform Trennvorrichtungen ange- bracht, durch die ein Vermischen der Mischungen A und B und/oder weiterer Mischungen verhindert wird. Die Trennvor- richtung kann in Form von Blechen oder Folien ausgestaltet sein. Die Bleche oder Folien sind so geformt, daß die Mi- schungen A und B in alle Raumrichtungen getrennt voneinan- der angeordnet werden können. Nach dem Befüllen werden die Trennvorrichtungen entfernt und die Mischungen zu dem Preß- körper verpreßt. Die getrennten Bereiche der Mischungen A und B bleiben im Preßkörper erhalten (Anspruch 2).

Um Oberflächenbereiche des Strukturbauteils besonders ver- schleißfest zu gestalten, werden die Mischungen in der Preßform so angeordnet, daß die Mischung B an den tribolo- gisch belasteten Reibflächen des Bauteils liegt (Anspruch 3).

Zur Erhöhung der Duktilität der mechanisch belasteten Bau- teilbereiche wird Mischung A in der Preßform so angeordnet, daß sie im Kern des Bauteils und im Innenring verteilt ist, da dort besonders duktile Werkstoffeigenschaften notwendig sind (Anspruch 4).

Der durch das Verfahren dargestellte Werkstoff ist ein Gra- dientenwerkstoff. Das bedeutet, es tritt keine exakte Be- rührungsschicht zwischen den Bauteilbereichen auf. Dies ist auf die Vermischung der Preßmassen an ihren Grenzflächen während des Pressen zurückzuführen. Besonders zur Vermei- dung von Delaminationen oder Sollbruchstellen sind die fließenden Übergänge zwischen den Bereichen vorteilhaft (Anspruch 5).

Der Anteil an SiC ist in den Oberflächenbereichen einge- setzten Mischung B höher als in den Bereichen im Kern und im Innenring (Mischung A), wo die Fasern in Form von Koh- lenstoff vorliegen. Aufgrund der unterschiedlichen Materi- alzusammensetzungen und deren unterschiedlichen Ausdeh- nungskoefizienten können thermische Spannungen hervorgeru- fen werden. Zum Abbau von möglichen thermischen Spannungen ist es zweckmäßig, in den spröden Bereichen der Oberfläche Nuten einzubringen, die etwa so tief wie die spröden Berei- che ausgeführt sind (Anspruch 6).

Eine weitere Lösung der Aufgabe besteht in dem erfindungs- gemäßen Verfahren nach Patentanspruch 7. Hierbei wird das fertige Strukturbauteil, das nahezu vollständig aus einer Mischung A hergestellt wird, an den tribologisch belasteten Oberflächen mit einem Medium imprägniert, das bei einer weiteren geeigneten Behandlung eine Oxidationsschutzschicht ausbildet. Hierbei handelt es sich um ein flüssiges, im- prägnierfähiges Medium, das ein Grundmaterial für die Oxi- dationsschutzschicht und ein Lösungsmittel enthält. Vor- teilhaft für die Imprägnierbarkeit des Mediums ist ein niedriger Benetzungswinkel gegenüber der Oberfläche des Strukturbauteils und eine niedrige Viskosität. Der Vorteil dieses Verfahrens besteht darin, daß das ganze Bauteil durch duktile Bereiche dargestellt werden kann und die an der Oberfläche liegenden Faserbündel zusätzlich gegen eine Oxidation bei hohen Temperaturen geschützt werden.

Als Grundmaterial für die Oxidationsschutzschicht sind Po- lymere geeignet, die bei einer Temperaturbehandlung unter- halb von 200° C Verbindungen aus Silizium, Sauerstoff und Kohlenstoff erzeugen (Anspruch 8). Die Imprägnierung kann zur Erzielung von optimalen Ergebnissen mehrmals erfolgen.

Weiterhin sind zur Imprägnierung SiC-haltige Klebstoffe ge- eignet, die in einem Lösungsmittel gelöst sind und deren Viskosität, die das Imprägnierverhalten beeinflußt, über den Lösungsmittelgehalt eingestellt werden kann. In diesem Fall ist ebenfalls eine mehrfache Imprägnierung besonders vorteilhaft (Anspruch 9).

Die genannten Materialien zur Imprägnierung der Oberfläche imprägnieren in der Regel spontan durch die Wirkung der Ka- pillarkräfte. Zur Beschleunigung des Imprägniervorganges ist es zweckmäßig, diesen durch die Verwendung einer elas- tischen Schiene, zu unterstützen, die über die Oberfläche gezogen wird. Hierdurch wird lokal der Druck auf der Ober- fläche erhöht. Besonders geeignet ist hierfür die Verwen- dung eines Rakels, wie es auch in der Siebdrucktechnik ein- gesetzt wird (Anspruch 10).

Eine weitere erfindungsgemäße Lösung der Aufgabe gemäß Pa- tentanspruch 11 ist das Erzeugen einer, im wesentlichen aus Siliziumkarbid bestehende Schicht (SiC-Schicht) auf die Bauteiloberfläche. Hierzu wird während der Herstellung des Strukturbauteils auf den Preßkörper oder auf die poröse Preform oder auf das Strukturbauteil, bevorzugt auf die po- röse Preform zumindest partiell eine Schicht aus pyroly- sierbaren Material (pyrolysierbare Schicht) aufgebracht.

Unter einem pyrolysierbaren Material wird ein organisches Material, wie z. B. Peche oder Phenolharze, das zu Kohlen- stoff reduzierbar ist, verstanden. Ferner kann das pyroly- sierbare Material in seiner Ausgangsform Kohlenstoff in al- len Modifikationen und Formen (z. B. faserförmig oder pul- verförmig), sowie anorganische Füllstoffe, wie z. B. SiC enthalten. Die Pyrolyse der pyrolysierbaren Schicht erfolgt entweder während einer verfahrensbedingten Temperaturbe- handlung (Pyrolyse des Preßkörpers oder Infiltration der Preform) oder es wird hierfür ein zusätzlicher Pro- zeßschritt eingeführt. Nach der Infiltration mit Silizium sind die Bereiche der pyrolysierbaren Schicht in eine SiC- Schicht umgewandelt worden, die die darunter liegenden Koh- lenstoffasern vor einer Oxidation bei hohen Temperaturen schützt und zudem besonders verschleißfest ist. Die SiC- Schicht ist fest mit der Bauteiloberfläche verbunden. Fer- ner kann die SiC-Schicht ein Rißmuster aus feinen Haarris- sen aufweisen, was für den Abbau von möglichen Spannungen in der SiC-Schicht vorteilhaft ist.

Zur Reduzierung der Materialkosten kann die pyrolysierbare Schicht neben den genannten Bestandteilen Fräsresten, die bei der Bearbeitung der Preform anfallen und/oder SiC ent- halten. Diese Mischung kann je nach Bedarf und Verfügbar- keit in unterschiedlichen Kombinationen ausgestaltet sein.

Die Pyrolyse kann während des Pyrolysierens des Preßkörpers zur Preform erfolgen, wenn Verfahrensvorrichtungen, wie z.

B. die Beschaffenheit des Pyrolyseofens oder des Ofens zur Infiltration das erfordern. Besonders bevorzugt wird die pyrolysierbare Schicht jedoch auf die Preform aufgebracht und während des Aufheizens zur Infiltration mit dem Silizi- um pyrolysiert, da so die geringsten, reaktionsbedingten Volumenänderung in der Schicht auftreten (Anspruch 12).

In einer weiteren Ausgestaltungsform umfaßt die pyrolysier- bare Schicht karamellisierten Zucker, der ebenfalls bevor- zugt beim Aufheizen zur Siliziuminfiltration pyrolysiert wird und im selben Prozeßschritt mit Silizium infiltriert wird. Nach der Infiltration resultiert hieraus eine dichte SiC-Schicht, die die darunterliegenden Faserbündel vor ei- ner Oxidation schützen (Anspruch 13). Diese Variante der SiC-Schicht ist aufgrund der geringen Rohstoffkosten beson- ders zweckmäßig. (Anspruch 13).

Alle beschriebenen SiC-Schichten weisen eine Dicke von 0,2 bis 5 mm auf. In der Praxis hat sich herausgestellt, daß eine Schichtdicke zwischen 0,5 mm und 2,5 mm bezüglich des Oxidationsschutzes besonders günstig ist und den geringsten Verfahrenstechnischen Aufwand erfordert (Anspruch 14).

Alle bisher beschriebenen Verfahren sind besonders dann zweckmäßig, wenn das Bauteil eine Bremsscheibe ist, die beispielsweise in der Automobiltechnik und in der Bahnfahr- zeugtechnik bereits Verwendung findet (Anspruch 15).

In dieser Anwendung treten an Reibflächen der Oberfläche besonders hohe Temperaturen auf, wobei gerade dort ein be- sonders hoher Verschleißsschutz gefordert ist (Anspruch 16).

Andererseits ist in der Kernschicht der Scheibe und beson- ders im inneren Bereich des Ringes eine besonders hohe Duk- tilität des tragenden Materials nötig. Die Erfindung bietet insbesondere für eine Bremsscheibe eine hervorragende Kom- bination aus besonders verschleißfesten und besonders duk- tilen Bereichen unter Gewährleistung aller sonstigen für dieses Bauteil geforderten Eigenschaften (Anspruch 17).

Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden im folgenden anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert.

Es zeigen : Fig. 1 den Querschnitt eines Preßwerkzeuges bei der Befül- lung mit Preßmassen, Fig. 2 eine Schnittzeichnung eines Bremsscheibenreibrings, in der die auftretenden Materialbereiche dargestellt sind, Fig. 3, ein Verfahrensschema entsprechend dem Beispiel 2, Fig. 4, ein Verfahrensschema entsprechend dem Beispiel 4.

Beispiel 1 Kohlenstoff-Faserbündel eines Typ A werden mit einer Be- schichtung aus Phenolharz versehen. Die Kohlenstoff- Faserbündel haben eine Länge von 16 mm und eine Bündelstär- ke von 3000 einzelnen Fasern. Die beschichteten Faserbündel vom Typ A werden mit Graphitpulver und in Furfurylalkohol im Verhältnis 1 : 1 gelösten Phenolharz ca. eine Stunde in einem Sternrotormischer gemischt (Mischung A). Eine weitere Mischung aus unbeschichteten Kohlenstoff-Faserbündel eines Typs B mit einer Länge von 3 mm wird mit den selben Zusatz- stoffen wie in Mischung A ebenfalls eine Stunde in einem Sternrotormischer gemischt (Mischung B).

In einer zylindrischen Preßform 1 (Figur 1) mit einem zy- lindrischen Innendorn 2 wird ein zu einem Zylinder geform- tes Blech 3 konzentrisch um den Innendorn 2 aufgestellt.

Die Mischung A 4a wird in den zylindrischen Hohlraum 6, der durch den Innendorn 2 und das Blech 3 gebildet wird, auf die gewünschte Füllhöhe gefüllt. Zwischen einer äußeren Be- grenzung 7 der Preßform 1 und dem zylindrischen Blech 3 wird bis zu einer Höhe von 10 mm die Mischung B 5a gefüllt.

Anschließend wird hierauf auf eine Höhe von 50 mm die Mi- schung A 4b gefüllt, worauf wiederum die Mischung B 5b (10 mm) folgt. Das Blech 3 wird entfernt und die so angeordne- ten Mischungen werden durch einen Preßstempel 8, der eine Aussparung für den Innendorn 9 aufweist, bei einer Tempera- tur von 100° C verpreßt, wobei das Phenolharz der Mischun- gen A 4a, 4b und B 5a, 5b vernetzt. Durch das Pressen wer- den die aneinander liegenden Mischungen A 4a, 4b und B 5a, 5b an den Grenzflächen lokal leicht vermischt. Ein so er- haltener Preßkörper wird nun bei 1000° C unter Argon zu ei- ner Preform pyrolysiert, wobei sich alle organischen Be- standteile zu Kohlenstoff reduzieren.

Die ringförmige Preform wird in einem Ofen in einem Bett aus einem Siliziumgranulat unter Ausschluß von Sauerstoff auf 1600°C erhitzt, wobei das Siliziumgranulat aufschmilzt und die Preform durch die Wirkung der Kapillarkräfte mit flüssigem Silizium infiltriert. Während der Infiltration konvertiert der Kohlenstoff der Preform mit dem Silizium zu einer SiC-Matrix. Die Fasern der Mischung A, die durch eine Kohlenstoffschicht geschützt sind, werden hierbei nicht konvertiert, weshalb diese Fasern einen Verstärkunseffekt auf die umgebende SiC-Matrix ausüben (duktiler Bereich 11).

Die Fasern der Mischung B konvertieren nahezu vollständig zu SiC und bilden zusammen mit der SiC-Matrix einen dichten SiC-Bereich (oxidationsbeständiger Bereich 12a, 12b).

Es resultiert hieraus ein Bremsscheibenreibring, im folgen- den Reibring 10 genannt, gemäß Figur 2.

Der Reibring 10 besteht aus duktilen Bereichen 11 im inne- ren konzentrisch Ring und in der inneren Schicht des Rin- ges, die auf die Mischung A 4a, 4b zurückzuführen sind. An den Reibflächen 14a, 14b besteht der Reibring 10 aus oxida- tionsbeständigen Bereichen 12a, 12b, die aus der Mischung B 5a, 5b hervorgehen. Aufgrund der lokalen Mischschicht im Preßkörper tritt zwischen den duktilen Bereichen und den o- xidationsbeständigen Bereichen keine scharfe Trennung, son- dern ein gradientenförmiger Übergang 13a, 13b auf.

Beispiel 2 (nach Figur 3) Die Preßform 1 in Figur 1 wird ohne Verwendung des zylind- risch geformten Bleches 3 mit der Mischung A gefüllt und a- nalog zu Beispiel 1 gepreßt und vernetzt. Das weitere Ver- fahren zur Herstellung eines Reibrings erfolgt ebenfalls a- nalog zu Beispiel 1. Der so erhaltene Reibring besteht aus- schließlich aus dem Grundmaterial der Mischung A und ist nicht identisch mit dem Reibring 10 aus Figur 2. Er weist an den Oberflächen neben der SiC-Matrix Kohlenstoffaserbün- del auf. Ein in einem Lösungsmittel gelöster Klebstoff auf SiC-Basis wird auf die Oberfläche des Reibrings gebracht.

Mit Hilfe eines Rakels imprägniert diese Lösung in die Ka- pillaren der Kohlenstoffaserbündel. Es folgt eine Tempera- turbehandlung bei ca. 150° C, wobei das Lösungsmittel ver- dampft und der Binder eine SiC-Schutzschicht in den Faser- bündeln ausbildet. Diese Imprägnierung wird zur optimalen Beschichtung ein bis zweimal wiederholt.

Beispiel 3 Die Herstellung des Reibrings erfolgt analog Beispiel 2, es wird jedoch zur Imprägnierung ein Polymer verwendet, das bei einer Temperaturbehandlung von 100° C eine Schutz- schicht auf den Fasern bildet, die aus einer Verbindung von Silizium, Kohlenstoff und Sauerstoff besteht. Die Impräg- nierung wird zweimal wiederholt, hierdurch wird ein optima- ler Faserschutz hergestellt.

Beispiel 4 (nach Figur 4) Das Verfahren zur Herstellung der Preform erfolgt analog Beispiel 2. Auf die Oberfläche der pyrolysierten Preform wird eine Mischung, die aus einem Kohlenstoffpulver, aus Fräsresten, die bei der Bearbeitung der Preform entstanden sind und einem in Furfurylalkohol gelösten Phenolharz be- steht (Mischung C), aufgebracht. Die Preform mit der Schicht aus Mischung C wird zwischen zwei Metallplatten ge- spannt und einer Temperaturbehandlung von ca. 130° C ausge- setzt, wobei das Phenolharz vernetzt. Die so beschichtete Preform wird in einem Ofen unter Ausschluß von Sauerstoff in einem Bett aus Siliziumgranulat aufgeheizt. Bei einer Temperatur von 1000° C erfolgt die Pyrolyse der Mischung C während einer Haltezeit von 3 Stunden. Anschließend erfolgt eine weitere Aufheizung auf eine Temperatur von 1600° C, wobei das Siliziumgranulat aufschmilzt und durch die Kapil- larkräfte die Preform und die pyrolysierte Schicht der Mi- schung C infiltriert. Hierbei erfolgt die Reaktion zwischen dem Si und dem Kohlenstoff zur SiC-Matrix, wobei die Koh- lenstoffasern nicht konvertieren. Die pyrolysierte Schicht der Mischung C wird zu einer SiC-Schicht umgewandelt, die die Fasern, die unter dieser Schicht liegen, vor Oxidation schützen.

Beispiel 5 Die Herstellung der Preform erfolgt analog zum Beispiel 4, auf die Preform wird jedoch, anstatt der Mischung C eine Schicht aus karamellisiertem Zucker und Kohlenstoff aufge- bracht. Die Pyrolyse und die Infiltration erfolgt ebenfalls analog zum Beispiel 4.